IT für die Zukunft: Technologien für schnelle Datenübertragungen

1. Twisted-Pair-Kabel

Als Twisted Pair werden in der Kommunikationstechnik alle Kabeltypen bezeichnet, innerhalb derer sich ein oder mehrere Aderpaare befinden, die über die gesamte Länge miteinander verdrillt sind. Ersonnen wurde dieser Kabeltyp 1881 von Alexander Graham Bell.

Die Verdrillung bewirkt, dass sich die elektromagnetischen Felder der beiden Leiter gegenseitig aufheben. Dadurch vermindert sich die elektromagnetische Abstrahlung des Paares und das Übersprechen – Cross Talk – reduziert sich auf ein Minimum.

Twisted Pair Verbindungen kommen meistes bei der Übertragung von LVDS-Signalen mit einer Impedanz von 100 Ohm zum Einsatz.

Je nach Anwendung werden die Adern bei Twisted-Pair-Kabeln zudem mit einem zusätzlichen abschirmenden Geflecht ummantelt. Ein wichtiger Qualitätsfaktor des Geflechts ist dessen Abdeckung, die in Prozent angegeben wird. Bei hochwertigen Kabeln wird sogar eine Kombination aus Drahtgeflecht und Metallfolie verwendet. Dadurch ergibt sich eine Abdeckung bis zu 100% und ein hochwertiger Störungsschutz, der jedoch zulasten der Flexibilität des Kabels gehen kann.

Da es hinsichtlich der Anzahl von Aderpaaren zahlreiche Möglichkeiten gibt, existieren heute ebenso verschiedenste Variationen dieser Kabel. Sie unterscheiden sich beispielsweise durch

• Betriebsfrequenzen
• Datenübertragungsraten und
• sinnvoll nutzbare Länge

voneinander. Bei Kabel der Kategorie 7 (Cat-7) beispielsweise sind 10 Gigabit pro Sekunde auf einer Länge von bis zu 100 Metern möglich.

2. Koaxialkabel

Das 1880 von Oliver Heaviside erfundene Koaxialkabel zeichnet sich maßgeblich durch einen stets zweipoligen, konzentrischen Aufbau aus. Von innen nach außen sieht es folgendermaßen aus:

• Ein starrer oder (häufiger) aus verdrillten/verseilten Litzen bestehender Innenleiter.
• Isolierendes Dielektrikum aus einem schlecht leitenden Material mit hohem oder sogar ausschließlichem Luftanteil, meistens Teflon.
• Abschirmender Außenleiter aus Drahtgeflecht und/oder Metallfolie oder (seltener) starrem Metallrohr.

Was den Variantenreichtum anbelangt, so ist er insbesondere hinsichtlich unterschiedlicher Durchmesser, Flexibilität und Übertragungsraten sehr groß. Mittlerweile existieren sogar miniaturisierte Varianten, sogenannte Mini-Koaxial- und Micro-Koax-Kabel, deren Außendurchmesser im Extremfall nur 0,15 Millimeter beträgt.

Wurden Koaxialkabel früher häufig (auch) in der Netzwerktechnik eingesetzt, so werden seine hochfrequenten, breitbandigen Signalübertragungseigenschaften mit ihren festen Widerständen im Bereich von 50 und 75 Ohm heute typischerweise eher bei der Übertragung von Bild-, Ton, und sehr schnellen Datenübertragungen geschätzt.

3. Lichtwellenleiter

Der erst 1952 durch Narinder Singh Kapany erfundene Lichtwellenleiter arbeitet nach einem gänzlich anderen physikalischen Prinzip als jedes herkömmliche Kabel. Während bei diesen die Datenübertragung durch passend getaktete Stromimpulse erfolgt, überträgt ein Lichtwellenleiter stets Lichtimpulse. Dazu werden elektrische Signale am Anfang der Übertragungsstrecker in Lichtimpulse gewandelt und am Ende der Strecke wieder in elektrische Impulse gewandelt. Die Übertragung funktioniert auf zwei mögliche Arten:
 

• Bei einem Singlemode-Leiter wird Licht einer Wellenlänge auf geradem Weg übertragen. Da es hierbei im Inneren keine Reflexionen gibt, ist die Dämpfung sehr gering, wodurch je nach optischem Gütegrad des Leiters sehr große Distanzen praktisch ohne Signalabschwächung überbrückt werden können.
• Bei einem Multimode-Leiter wird Licht mehrerer Wellenlängen übertragen und entlang der Innenwand immer wieder reflektiert. Das reduziert zwar die Reichweite massiv, gestattet jedoch extreme Datenraten bis in den Bereich Terabit pro Sekunde. 
   

Glasfaserübertragungen sind völlig unanfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen und erzeugen auch keine elektromagnetischen Abstrahlungen.

Weiter ist es relativ einfach möglich, das Signal unterwegs zu verstärken. Daher gilt Glasfaser“kabel“ in vielen Bereichen der Datenübertragung als wichtige Zukunftstechnologie.

4. Wi-Fi / WLAN

Im Gegensatz zu vielen anderen Datenübertragungstechniken hat Wi-Fi verschiedene „Väter“. Und selbst, wenn der erste Standard konkret 1997 definiert wurde, so lässt sich die grundlegende Herangehensweise bis zum Zweiten Weltkrieg zurückverfolgen, als ein Frequenzsprungsystem erfunden wurde, das ein Abhören von Funkübertragungen massiv erschweren sollte.

Heute indes ist Wi-Fi fraglos der am weitesten verbreitete Funkstandard für die Datenübertragung überhaupt. Hunderte Unternehmen haben sich zur Wi-Fi Alliance zusammengeschlossen. Der Standard hat dadurch eine extreme Kompatibilität mit verschiedensten Geräten sowohl im professionellen als auch Konsumentenbereich.

Weltweit haben praktisch alle mit der Frequenzvergabe und -überwachung beauftragten Behörden dieselben Frequenzbereiche und Abstände eingeräumt. Dadurch hat jede Wi-Fi-Version konkrete Kanäle und ist überdies nahezu grenzenlos in den allermeisten Nationen nutzbar.

5. Li-Fi

Das Problem an Funkübertragungen ist das aus physikalischen Gründen limitierte Frequenzspektrum. Die Frequenz lässt sich daher nicht beliebig erhöhen. Viele heutige Funkanwendungen wie Wi-Fi liegen schon frequenzmäßig am oberen Ende im höheren Gigahertz-Bereich. Ab 300 GHz beginnt bereits der Bereich der Infrarotstrahlung, womit eine verstärkte Wärmewirkung einhergeht.

Außerdem sind die meisten nutzbaren Funkfrequenzbereiche heute bereits für Übertragungsstandards vergeben. Dadurch und weil sich die Anfälligkeit mit steigender Frequenz erhöht, kann es leicht zu Störungen kommen, was wiederum Datenübertragungen hemmen kann. Umgekehrt können insbesondere hochfrequente Funkübertragungen andere Dinge stören – beispielsweise im medizinischen Bereich.

Schon seit Längerem wird deshalb auch bei drahtlosen Übertragungen jenseits der klassischen Funkfrequenzen geforscht. Li-Fi ist dabei eine Option. Sie wurde 2011 von Professor Haral Haas erfunden.

Das grundsätzliche Arbeitsprinzip ähnelt demjenigen eines Lichtwellenleiters – ohne jedoch ein festes Übertragungsmedium aufzuweisen. Spezielle LED werden hierbei genutzt, um Signale über kurze Distanzen bis zirka 10, 20 Meter zu übertragen.

Der größte Vorteil dabei: Weder kann Li-Fi durch elektromagnetische Einflüsse gestört werden, noch erzeugt es selbst solche. Gleichsam sind bereits heute praktisch nutzbare Datenraten bis etwa 1 Gigabit pro Sekunde möglich.

 6. Richtfunk

Richtfunk ist weniger eine eigene Form der drahtlosen Nachrichtenübertragung als vielmehr eine Möglichkeit, um viele Funkübertragungen unterschiedlicher Frequenzbereiche insgesamt zu verbessern und teilweise ihre Nachteile zu negieren.

Der zentrale Kern dieser Herangehensweise sind speziell gestaltete Antennen. Während viele herkömmliche Antennen eine mehr oder weniger starke omnidirektionale Abstrahl- und Empfangscharakteristik aufweisen, ist es bei Richtfunkantennen genau anders.

Sie werden gezielt konzipiert, um die Funkwellen zu einem Kegel mit einem möglichst extrem geringen Winkel zu bündeln. Optisch kann man sich das wie den Unterschied zwischen einer herkömmlichen und freistehenden Glühbirne und einer stark fokussierenden Taschenlampe oder eher einem Laserpointer vorstellen. Dadurch geschehen mehrere Dinge:

• Die gesamte Leistung wird nur in eine Richtung abgestrahlt. Dadurch hat Richtfunk bei ansonsten gleichen Leistungscharakteristika eine wesentlich gesteigerte Reichweite – oder benötigt für eine gegebene Reichweite weniger Energie. Gleichsam wirken sich dämpfende Hindernisse weniger stark aus.
• Störungen, etwa durch andere elektromagnetische Wellen, wirken sich nur dann aus, wenn sie den Signalkegel durchkreuzen. Umgekehrt stört das Funksignal selbst nur in dem Bereich, den es berührt.
• Die Sicherheit wird ebenfalls erhöht, weil potenzielle Empfänger sich im Bereich des Kegels befinden müssen.

Zudem muss der auf Heinrich Hertz zurückgehende Richtfunk nicht zwangsläufig bedeuten, nur zwischen zwei Punkten kommunizieren zu können. Durch Verwendung mehrerer Richtfunkantennen lassen sich ebenso sternförmige Netzwerke aufbauen.